基于MAD2020E加速度的0°~360°倾角传感器设计

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  •       摘要:介绍了基于MAD2020E型加速度计的0°~360°倾角传感器的基本原理,并结合实际加速度传感的特性,采用双轴无温度补偿方法进行了硬件和软件的设计。实验验证该倾角加速度传感器实现了外形小巧、精度高、智能化。
    关键词:加速度传感器;倾角测量;无温度补偿;MAD2020E


    1 引言
        目前国内现场使用的倾角传感器大多应用于系统水平测量。倾角传感器从工作原理上可分为“同体摆”、“液体摆”、“气体摆”、“加速度”4种方式。多数为偏重框架结构式的测角传感器,其工艺精度低、可靠性差,而新的石英挠性加速度计虽测量精度高,但抗震性能差,易损坏。MEMSIC加速度计MAD2020E不仅外形小巧、精度高、而且耐冲击较大,特别适合矿井、机车等测量倾角条件较恶劣的场合。因此,这里提出一种基于MAD2020E加速度计0°~360°倾角传感器设计方案。


    2 测倾角工作原理
    2.1 加速度计测倾角工作原理
        加速度计通过感知重力加速度g在其测量轴上分量的大小确定物体的倾斜角度。当MEMSIC加速度计水平放置时(两个灵敏轴与水平面平行),它对位置或倾角变化最为敏感。而当垂直放置时(两个灵敏轴与水平面垂直),对于位置或倾角变化的敏感度将下降。图1与图2描述了MEMSIC加速度计从+90°~O°倾斜过程中X轴和y轴输出值的相应变化。请注意当任意一轴(每倾斜1°)的输出变化较小时,则另一轴的输出变化较大。利用这两轴的变化特性相互弥补的原理设计精度较高的倾角传感器。

        为测倾斜角度,需要进行计算,因为加速度计的输出仅仅作用在感应轴上的重力加速度值。双轴加速度计水平放置时的输出和重力之间的关系:

       
    式中,Ax和Ay代表加速度计的输出,g是重力加速度,α和β是倾斜角度。为了计算倾斜角度,由反正弦方程:

       
    2.2 MAD2020E型加速度计简介
        MAD2020E型加速度计是基于单片COMS 工艺的一个完整的双轴加速度测量系统,像其他加速度计有重力块一样,MEMSIC器件是以可移动的热对流小气团作为重力块。该器件通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。MEMSIC传感器中的质量块是气体。MAD2020E型加速度计是通过测量温度变化的原理确定加速度的装置。MAD2020E型加速度计传感器输出信号是2个PWM(占空比)信号,当加速度计传感器输出 PWM信号时,PWM信号的占空比与加速度信号成比例。

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